Институт метрологии времени и пространства, ГП ВНИИФТРИ

141570 Московская обл., Менделеево

Введение.

В ортодоксальной теоретической физике идея о кривизне пространства-времени оказалась весьма плодотворной, но до сих пор само понятие «кривизна пространства-времени» остаётся математической абстракцией, не имеющей никакой физической модели.

Напротив, мы в предыдущих работах предложили конкретную модель того, что называется геометрией пространства-времени: эта геометрия диктуется пространственным распределением для собственных частот квантовых осцилляторов. Там, где градиент этих частот нулевой, пространство-время «плоское», а там, где он ненулевой, т.е. имеется частотный склон – пространство-время, соответственно, «искривлённое». Этот подход, в частности, позволяет легко решить проблему баланса энергии при свободном падении пробного тела [1,2].

Реальность частотных склонов с очевидностью демонстрируется гравитационными сдвигами частот, которые обнаруживаются при сличениях квантовых генераторов, разнесённых в пространстве. В ортодоксальной же физике гравитационные сдвиги частот считаются следствием «замедления времени вблизи массивных тел». Таким образом, интерпретация гравитационных сдвигов частот зависит от позиции в вопросе о том, что первично – время или частота. На наш взгляд, первична частота: во-первых, у квантового осциллятора частота с точностью до коэффициента, т.е. постоянной Планка, равна энергии – самой фундаментальной физической величине, а, во-вторых, время мы можем измерять только на основе частоты, которая принимается за эталонную. Вот почему мы отдаём предпочтение концепции частотных склонов: она представляется не только более наглядной, но и более фундаментальной.

Как было проиллюстрировано ранее [3], иерархия частотных склонов, соответствующая иерархии массивных тел, формирует тот «каркас», по отношению к которому местоположение и локальная скорость квантового осциллятора имеют, фактически, абсолютный смысл: они однозначно определяют гравитационный и кинематический сдвиги его частоты, что позволяет избавиться от парадокса часов в теории, в согласии с экспериментом. В данной работе мы делаем следующий шаг и предполагаем, что названный «каркас» обеспечивает однозначность ещё и такого процесса, как распространение света: частотные склоны играют роль той самой «светоносной среды», относительно которой локально фиксирована фазовая скорость света в вакууме.

Поясним, что означает понятие «локально фиксирована». Как известно, для распространения звука требуется вещественная среда; скорость звука определяется только свойствами этой среды. Собственное движение образца, в котором распространяется звук, обычно никак не сказывается на скорости звука в самом образце – это и означает, что скорость звука локально фиксирована относительно звуковой среды. Мы полагаем, что совершенно аналогично ведёт себя фазовая скорость света, но особенность заключается в том, что «светоносная среда» имеет невещественную природу, будучи иерархией частотных склонов. Например, когда планета обращается вокруг своей звезды, планетарный частотный «провал» перемещается по склону более глобального звёздного частотного «провала». На звёздном склоне вне планетарного провала фазовая скорость света в вакууме одинакова во всех направлениях и равна c относительно локального участка звёздного склона, т.е., практически, относительно звезды; а в пределах планетарного провала - относительно локального участка планетарного склона, т.е., практически, относительно планеты, несмотря на её орбитальное движение. Таким образом, значение фазовой скорости в вакууме является универсальной постоянной лишь в локальном смысле: для планетарного наблюдателя изотропной константой является скорость лишь того света, который распространяется в пределах планетарного провала, в то время как скорость света за этими пределами является для него анизотропной, будучи результатом классического сложения скорости света на звёздном склоне с орбитальной скоростью планеты. Аналогично, для околозвёздного наблюдателя не является изотропной константой скорость света, распространяющегося в пределах планетарного провала. Заметим, что экспериментальное обнаружение такого рода непостоянства скорости света – весьма проблематично.

Вышеизложенная концепция об иерархии частотных склонов, как «светоносном эфире», позволяет естественным образом преодолеть трудность, с которой сталкивались предыдущие модели эфира в вопросе о скорости эфира и , соответственно, скорости света относительно различных движущихся тел. Ни одна из моделей не объясняла всей совокупности опытных данных в оптике движущихся тел, поскольку истолкования результатов, получаемых с помощью различных экспериментальных схем, оказывались в противоречии друг с другом. В рамках же нашей модели эти противоречия устраняются. Так, свет от чужих звёзд движется к планетарному наблюдателю, вообще говоря, с различной скоростью: сказывается движение своей звезды по «плоской» межзвёздной области, а также орбитальное движение планеты. Но, зайдя в планетарный частотный провал, весь этот свет движется уже с одинаковой скоростью относительно этого провала. Таким образом, для корректных выводов о скорости света следует учитывать, охватывает ли схема эксперимента несколько уровней в иерархии частотных склонов, или нет.

Мы проиллюстрируем это принцип на двух хорошо известных явлениях – звёздной аберрации и эффекте Допплера в оптике – и обсудим некоторые теоретические следствия нашего подхода.

Решение проблемы звёздной аберрации.

Аберрационные смещения видимых положений звёзд, обусловленные движением наблюдателя, имели более или менее удачные объяснения как в корпускулярной теории света, так и в волновой, на основе различных моделей эфира. Но с концепцией эфира связана идея об абсолютном движении, которая несовместима с подходом теории относительности. Эйнштейн упразднил эфир; и он считал, что угол аберрации зависит от относительной тангенциальной скорости излучателя и наблюдателя [4]. Однако, эта точка зрения не выдержала экспериментальной проверки: многие визуально-двойные звёзды имеют заведомо различные тангенциальные скорости относительно земного наблюдателя, но, как и остальные звёзды, они испытывают идентичные и синхронные аберрационные смещения – в частности, годичные, обусловленные исключительно орбитальным движением Земли. До сих пор релятивисты делают вид, что проблемы не существует, хотя, фактически, отсутствует понимание одного из ключевых явлений в оптике движущихся тел.

Между тем, это явление находит естественное объяснение в рамках излагаемого здесь подхода. Рассмотрим происхождение годичной аберрации; для простоты будем сначала считать, что звезда, вокруг которой обращается планета с наблюдателем, покоится относительно «плоской» межзвёздной области. Тогда для света от чужой звезды, прошедшего по этой «плоской» области, вход на звёздный частотный склон никак не сказывается на дальнейшем распространении этого света. Иная ситуация имеет место при прохождении сквозь границу планетарного частотного провала, который движется, для простоты, ортогонально движению света. Отклонение на этой границе является следствием того, что, зайдя в планетарный провал, свет продолжает двигаться относительно него в том же самом направлении, в котором он пересёк границу. Но это направление, т.е. угол влёта, определяется классической комбинацией векторов орбитальной скорости планетарного провала и скорости света на звёздном склоне. В рассматриваемом случае, когда эти векторы ортогональны, отношение их модулей даёт тангенс угла влёта, т.е. тангенс угла годичной аберрации. Теперь допустим, что звёздная система, в которой находится наблюдатель, сама движется по «плоской» межзвёздной области. Тогда, по аналогии с вышеизложенным, свет от чужой звезды, вступая в зону движущегося звёздного провала, испытывает такое отклонение, которое приводит к вековой аберрации.

Такая модель для звёздной аберрации сразу же проясняет удивительные особенности этого явления: почему угол аберрации зависит только от скорости наблюдателя, причём – от какой именно его скорости, а также почему, например, орбитальное движение Земли приводит к соответствующим аберрационным смещениям только для тех объектов, которые находятся за пределами земного частотного провала.

Следует добавить, что собственное перемещение наблюдаемого объекта по сфере неподвижных звёзд, не обусловленное движением наблюдателя, также приводит к аберрации, которую обычно называют планетной. Из-за планетной аберрации мгновенное видимое положение объекта отстаёт от истинного – на угол, равный произведению собственной угловой скорости перемещения объекта на время, в течение которого свет идёт от него до наблюдателя. Планетная аберрация, которую мы наблюдаем, характерна для близких (по космическим меркам) объектов: спутников, планет, и др. Что касается Солнца, то его перемещение по сфере неподвижных звёзд полностью обусловлено нашим годичным движением, поэтому у Солнца планетная аберрация отсутствует.

Таким образом, мгновенное видимое положение Солнца отличается от истинного только на угол звёздной аберрации. Интересное подтверждение тому приводит, например, Ван Фландерн [5]. На основе анализа изменений периодов повторения сигналов от пульсаров, находящихся на различных участках небесной сферы, рассчитывается вектор мгновенного центростремительного ускорения Земли. Этот вектор оказывается всё время направлен не к центру видимого Солнца, а к центру его истинного положения. Этот феномен считается одним из свидетельств в пользу сверхсветовой скорости действия гравитации [5].

Завершая наше обсуждение аберрационных смещений, отметим, что звёздная и планетная аберрации принципиально разделимы: первая обусловлена собственным движением наблюдателя, а вторая – собственным движением наблюдаемого объекта по сфере неподвижных звёзд. Такое положение дел, конечно, несовместимо с релятивистским подходом.

Решение проблемы эффекта Допплера в оптике.

В релятивистской физике под эффектом Допплера в оптике до сих пор понимается сдвиг частоты, который приобретает свет из-за того, что его излучатель и приёмник находятся в относительном движении. Трудно обсуждать этот подход с физической точки зрения, поскольку здесь отсутствует какая-либо физическая модель явления. Поэтому мы кратко проанализируем факты, не укладывающиеся в рамки этого подхода.

Прежде всего, следует чётко разделять линейный и квадратичный эффекты Допплера, т.е. знаменатель и числитель известного релятивистского выражения. Квадратичный эффект, пропорциональный релятивистскому радикалу, не имеет никакого отношения к сдвигу частоты света. Он полностью объясняется кинематическими сдвигами энергетических уровней квантовых осцилляторов излучателя и приёмника [3]. Многолетняя эксплуатация транспортируемых атомных часов доказывает, что эти кинематические сдвиги, квадратичные по локальной скорости, действительно имеют место. Если, помимо этого, ещё и частота электромагнитного излучения испытывала бы квадратичный допплеровский сдвиг, то, при сличениях движущихся стандартов частоты с помощью радиоволн, квадратичный эффект был бы вдвое больше, а это не так. Релятивистский подход не работает: квадратичному эффекту Допплера подвержен не свет, а только излучатель и приёмник, причём этот эффект зависит, строго говоря, не от квадрата их относительной скорости, а от квадратов локальных скоростей и того, и другого [3].

Теперь обсудим линейный эффект Допплера в оптике. Вспомним, что сначала этот эффект был обнаружен не у света, а у звука в воздухе. Здесь физическая модель безупречна: скорость звуковой волны фиксирована относительно воздуха, поэтому движение источника звука относительно воздуха даёт свой вклад в итоговый сдвиг частоты, а движение приёмника – свой. Аналогичная модель работала и для света, пока он считался волнами в эфире. Однако, с упразднением эфира от этой модели пришлось отказаться, а её разумной альтернативы нет до сих пор: вместо неё используется чисто математический трюк, основанный на релятивистском преобразовании соответствующего четырёх-вектора.

В качестве разумной альтернативы мы предлагаем всё ту же модель, в которой роль «светоносного эфира» играют частотные склоны. Свет обретает «среду», относительно которой его фазовая скорость локально фиксирована (см. выше), и, соответственно, линейные сдвиги частоты света оказываются обусловлены локальными движениями излучателя и приёмника относительно этой «среды». Выражение для линейного эффекта Допплера в оптике совершенно аналогично выражению для звукового эффекта. При этом нас не должен смущать вывод о том, что взаимная скорость излучателя и приёмника, подчиняясь классическому закону сложения скоростей, может превышать скорость света в вакууме. Этот вывод не противоречит фундаментальным физическим принципам; математические же затруднения мы здесь не обсуждаем. Как можно видеть, в рамках нашей модели даже линейный эффект Допплера в оптике определяется, вообще говоря, не относительным радиальным движением излучателя и приёмника, а их индивидуальными локальными движениями. Впрочем, как релятивистский, так и наш подходы дают одинаковый линейный эффект. Разница между ними могла бы проявиться во втором порядке, однако экспериментальное обнаружение этой разницы является непростой задачей.

О космологическом «красном смещении».

Сегодня общепризнано, что «красное смещение» спектральных линий у света от далёких галактик, пропорциональное расстоянию до них (согласно закону Хаббла), имеет допплеровскую природу. Отсюда делается вывод о разбегании галактик во Вселенной, что приводит к важным следствиям в космологии.

Но рассмотрим, в рамках вышеизложенного подхода, вопрос о том, какой допплеровский сдвиг может дать убегание далёкой галактики.

Пусть далёкая звезда-излучатель движется, вместе со своим звёздным частотным провалом, по «плоской» межзвёздной области. Если звезда излучала бы свет в импульсном режиме, то частота следования световых импульсов соответственно изменялась бы при выходе за границу звёздного провала. Но как сказывается переход через эту границу на энергии фотонов? При этом переходе происходит всего лишь переключение «привязки» фазовой скорости – с одного отрезка «среды» на другой – но при этом не изменяется энергия фотонов, т.е. не изменяются ни их частоты, ни длины волн. Мы видим, что допплеровский сдвиг частоты из-за движения излучателя может быть обусловлен только его локальным движением относительно частотного провала самого низкого ранга, в котором он находится. Аналогично, вклад в итоговый допплеровский сдвиг из-за движения приёмника определяется лишь его движением самого низкого ранга из всех, в которых он участвует. Принцип, согласно которому лишь самые низкоранговые движения излучателя и приёмника обусловливают результирующий допплеровский сдвиг, оказывается универсальным: он справедлив и тогда, когда излучатель и приёмник находятся вблизи одной и той же планеты, и тогда, когда они находятся в разных галактиках.

Таким образом, мы приходим к важному выводу: космологическое «красное смещение» не может иметь допплеровскую природу, и, значит, оно связано не с разбеганием галактик, а с какой-то иной причиной.

Предлагались альтернативные объяснения - например, «старение» фотонов. Но подобные процессы приводили бы к разнообразным дисперсионным эффектам, которые не имеют места. Всё говорит о том, что со светом от далёких галактик не происходит никаких изменений в пути. Учитывая это, мы предлагаем следующую гипотезу. Предположим, что во всей Вселенной синхронно происходит монотонное увеличение масс протона и электрона (m_p и m_e), с сохранением их отношения постоянным. Логично допустить, что энергии электронных состояний в атомах пропорциональны собственной энергии свободного электрона, т.е. атомные частоты испытывают такой же дрейф, как и m_e. Тогда в течение того времени, пока свет от далёкой галактики движется к приёмнику, опорные спектральные линии приёмника успевали бы сдвинуться в сторону коротких длин волн, что и объясняло бы космологическое «красное смещение». Величина этого смещения говорила бы не о скорости убегания далёкой галактики, а только о времени, в течение которого её свет идёт до наблюдателя.

Приведём некоторые оценки, считая, что дрейф масс протона и электрона линеен во времени. В соответствии с нашей гипотезой, постоянная Хаббла H имеет физический смысл, отличающийся от традиционного. Она является как раз коэффициентом, описывающим относительный дрейф во времени у m_e, т.е. у частоты пульсаций свободного электрона m_ec²/h (h - постоянная Планка), и, как мы предположили, у всех атомных частот: H=(df_i/dt)/f_i. На основе рекомендованного значения постоянной Хаббла, равного 2.44×10^-18 с^-1 [6], мы получаем для абсолютного дрейфа частоты пульсаций свободного электрона величину 300 Гц/с, или, в относительном исчислении, ~7.7×10^-11 в год.

Уместен вопрос: свидетельствуют ли о таком дрейфе m_e какие-либо некосмологические данные, например, результаты чисто наземных экспериментов? Предполагаемый дрейф m_e приводил бы к одинаковым относительным дрейфам частот у разнотипных атомных стандартов, не проявляясь при сличениях этих стандартов. Однако поведение во времени частот молекулярных переходов может отличаться от поведения частот атомных переходов. Дело в том, что, демонстрируя колебательные и вращательные спектры, молекула ведёт себя не как квантовый, а, скорее, как классический осциллятор. Его частота зависит от отношения осциллирующей массы к «коэффициенту упругости возвращающей силы», причём в первом приближении это отношение постоянно даже в условиях дрейфа m_p и m_e. Тогда на достаточно большом интервале времени этот дрейф мог бы проявиться через взаимное изменение частот атомных и молекулярных стандартов.

Сличения атомных и молекулярных стандартов частоты проводились различными группами исследователей. Так, сотрудники Госэталона времени и частоты СССР в 1981-85 годах измеряли частоту гелий-неонового лазера, стабилизированного по молекулярному поглощению в метане, по отношению к эталонной атомной частоте. Если верна наша гипотеза, то дрейф атомной частоты и отсутствие такового у молекулярной частоты должны были бы привести к «уменьшению» молекулярной частоты относительно эталонной. Действительно, величина обнаруженного «уменьшения» составила ~10^-11 в год [7], причём во всех ведущих лабораториях мира наблюдалась аналогичная тенденция к «снижению» частоты молекулярного стандарта. Но в дальнейшем те же авторы провели серию измерений с другим образцом молекулярного стандарта и сообщили более осторожную оценку возможного дрейфа его частоты: не более 10^-12 в год [8].

Если космологическое «красное смещение» и дрейф частот атомных стандартов действительно являются следствиями одного и того же феномена, а именно, монотонного роста масс протона и электрона, то следует устранить рассогласование в полтора порядка между изменением частот, рассчитанным на основе рекомендованного значения постоянной Хаббла, и измеренным изменением частот. Как значение постоянной Хаббла, так и измеренный дрейф частот получены на переднем крае экспериментаторского искусства, и надо полагать, что истина находится где-то посередине.

Заключение.

Все предшествовавшие модели светоносного эфира строились на основе предубеждения в том, что эфир является вещественной средой – и все они потерпели неудачу. Отличие нашего подхода заключается в том, что с «эфиром» отождествляются частотные склоны, которые невещественны. Этот подход позволяет объяснить, по-видимому, все ключевые явления в оптике движущихся тел, а также разрешить вышеупомянутые проблемы, связанные со звёздной аберрацией и эффектом Допплера. В рамках этого подхода новую жизнь обретают локально-абсолютные скорости, классический закон сложения скоростей, и даже единое вселенское время, стрелу которого можно связать с тем самым дрейфом масс протона и электрона, с помощью которого мы попытались объяснить космологическое «красное смещение».

Автор благодарит В.И.Беленко за полезную дискуссию.

Ссылки.

1. А.А.Гришаев. Энергетика свободного падения. – Доступна на данном сайте.

2. A.A.Grishaev. On the nature of gravitational shifts of the frequency of quantum oscillators. Report for International Forum on Wave Electronics and its Applications. 14-18 September, 2000. St.Petersburg – Valaam – Mandrogi – St.Petersburg. Proceedings, p.94.

3. А.А.Гришаев. О природе релятивистских и гравитационных сдвигов частот квантовых осцилляторов. – Доступна на данном сайте.

4. А.Эйнштейн. К электродинамике движущихся тел. Собр. Науч. Трудов, т.1, «Наука», М., 1965.

5. T.Van Flandern. Phys. Lett. A, 250 (1998) 1.

6. Таблицы физических величин. Справочник под ред. акад. И.К.Кикоина. «Атомиздат», М., 1976.

7. Ю.С.Домнин и др. Письма в ЖЭТФ, 43, 4 (1986) 167.

8. Ю.С.Домнин и др. Квант. Электроника, 23, 12 (1996) 1111.

Источник: http://newfiz.info

Поступило на сайт: 03 августа 2001.